а) Биофизика ультразвуковой энергии. Звук — распространение в виде упругих волн механических циклических колебаний атомов и молекул от их обычного положения в определенном направлении. Когда циклические колебания происходят на частотах более 20 000 Гц (т.е. выше слышимых человеком), звук определяется как ультразвук.
С ультразвуковыми лучами можно обращаться аналогично, как и со световыми, включая фокусирование (ультразвуковые линзы) и минимизацию конвергенции и дивергенции (коллимация). Оптические геометрические манипуляции позволяют направлять ультразвук в ограниченные удаленные (глубокие) слои ткани. Это ключевая возможность терапевтического ультразвука.
Передача ультразвуковой энергии ослабевает из-за расстояния и окружения, особенно из-за воздуха. Количество ультразвуковой энергии, доставленной в ткани, пропорционально интенсивности волны и коэффициенту поглощения ткани.
Благодаря данной особенности, ультразвуковая аблация не требует прямого контакта с миокардом, в отличие от РЧА. Ультразвуковая энергия уменьшается пропорционально расстоянию (1/r), в то время как электрическое проведение при РЧА уменьшается пропорционально квадрату расстояния (1/r2). Эта особенность ультразвуковой энергии позволяет создавать более глубокие и трансмуральные повреждения.
Глубина повреждения напрямую зависит от продолжительности аппликации и акустической мощности.
Схема, демонстрирующая экстракорпоральное генерирование HIFU и его использование для создания термического поражения в целевой ткани
б) Патофизиология формирования повреждения при использовании ультразвуковой энергии. Повреждение ткани, вызванное ультразвуком, опосредовано тепловым и нетепловым механизмами. Ультразвуковые волны могут проходить через живые ткани без какого-либо вреда для клеток. Однако при фокусировании высокоэнергетических ультразвуковых волн (HIFU) в четко определенном объеме происходит местное нагревание (достижение температуры 65-100°С) и быстрая деструкция ткани за счет коагуляционного некроза.
Тепловая энергия возникает, когда энергия, переносимая ультразвуковым лучом, ослабевает при его распространении через вязкие (вязкоэластичные) среды, такие как мягкие ткани человека. Ослабление частично представляет собой преобразование ультразвуковой энергии в тепло.
Нетепловые механизмы, посредством которых HIFU разрушают ткани, включают ультразвуковую кавитацию, активацию газа крови и механический стресс. Механическое возбуждение возникает в результате давления волн (ультразвуковых волн), распространяющихся в газосодержащих тканях, когда они циклически расширяют (разрывают) и сжимают микропузырьки в тканях (т.е. колебания и коллапс газовых микропузырьков), процесс известен как микроактивация.
Процесс вибрации клеточных структур вызывает локальную гипертермию и механический стресс путем образования пузырьков из-за быстрого изменения локального давления, приводящего к гибели клеток.
Предыдущие исследования показали, что быстрое, сфокусированное поглощение HIFU энергии в некардиальной ткани приводит к резкому градиенту температуры в ткани (2-5°С/сек) между очагом и окружающей тканью, что приводит к образованию резко очерченных повреждений и уменьшению сопутствующего повреждения. Однако более поздние исследования, в которых использовалась HIFU для изоляции ЛВ в сердцах собак, продемонстрировали, что HIFU создает двойной температурный профиль, возможно, из-за непосредственного прямого акустического нагрева и последующего проведения тепла.
Кроме того, область непосредственного акустического нагрева с помощью HIFU энергии in vivo была в значительной степени предсказуема от расстояния от ткани-мишени до поверхности баллона HIFU; реальная температура ткани, превышающая 50°С (температуру, при которой, предположительно, происходит стойкое повреждение ткани), была сфокусирована на расстоянии 7 мм в ширину и 7,5 мм в глубину от точки выхода HIFU (значительно шире области резистивного нагрева в 2-3 мм, наблюдаемой при РЧ энергии).
Однако реальное распространение температуры ткани во время генерации повреждения может зависеть от других факторов, таких как: циркуляция крови; толщина тканей в предсердии, веноатриальном соединении или ЛВ; или ослабление энергии при различных взаимодействиях между тканью-мишенью и источником энергии.
Глубина HIFU повреждения увеличивается при более длительном высвобождении энергии (15-60 сек), также существует линейная зависимость между увеличивающейся мощностью и глубиной повреждения. Было показано, что применение HIFU позволяет достичь трансмуральных повреждений и электрической изоляции ЛВ. Однако, хотя это можно расценить как повышение эффективности аблации, потенциально это может привести к сопутствующему повреждению диафрагмального нерва и пищевода.
HIFU аблация может вызвать повреждение диафрагмального нерва, когда он расположен на расстоянии 4-7 мм от точки выхода HIFU из баллона.
в) Клиническое применение ультразвуковой энергии. HIFU — это привлекательный альтернативный источник энергии. Благодаря тому, что он фокусируется на особых глубинах, ультразвук может иметь преимущества при выполнении эпикардиальной аблации. Наличие эпикардиального жира затрудняет применение стандартного РЧ тока, как при катетерной эпикардиальной РЧА, так и при минимально инвазивной хирургической аблации.
Более того, способность ультразвука коллимироваться через эхопрозрачную жидкую среду (например, воду, кровь) делает его идеальным для доставки с применением баллона, который потенциально может облегчить круговую аблацию в устьях ЛВ с однократной подачей энергии. Другое потенциальное преимущество ультразвука состоит в том, что он не требует значительного нагрева поверхности вены. Это может быть полезно при процедурах изоляции ЛВ для предотвращения стеноза ЛВ, наблюдаемого при РЧА.
Поскольку HIFU доставляется в месте схождения пучка ультразвука, а не на поверхности ткани, успешная аблация меньше зависит от непосредственного контакта баллона с тканью, чем другие технологии на основе баллона. Более того, в отличие от других источников энергии, HIFU в пределах баллона может варьировать, тем самым создавая широкую, сфокусированную зону доставки энергии за пределами устьев ЛВ, тем самым имитируя расширенные циркулярные аблационные линии. В настоящее время не существует HIFU катетеров, которые можно было бы использовать для линейной аблации.
Цилиндрический преобразователь с частотой в 8 МГц, установленный в заполненном физиологическим раствором баллоне, был разработан для изоляции ЛВ. Аблационная система (Atrionix, Palo Alto, СА, United States) состоит из катетера диаметром 0,035 дюйма с просветом и дистально расположенным баллоном (максимальный диаметр 2,2 см), в центре которого расположен ультразвуковой преобразователь. Система доставляется по проводнику в целевую ЛВ.
Температура на поверхности ткани контролируется с помощью термопар на баллоне и ультразвукового преобразователя. Несмотря на начальный энтузиазм, отдаленные результаты, включающие 33 пациента, были разочаровывающими, отдаленный показатель излечения составил около 30%, хотя кратковременная электрическая изоляция ЛВ была достигнута во всех случаях, за исключением 1. Удивительно, но для изоляции ЛВ требовалось несколько аппликаций. Вариабельность анатомии ЛВ была основной причиной неудачных вмешательств. Было сложно достичь адекватного нагрева при больших размерах устьев ЛВ.
Система позволяла доставить узкую полосу ультразвуковой энергии радиально от центрального датчика, но иногда было сложно разместить катетер в проксимальных отделах всех ЛВ. Поэтому источники аритмии, расположенные непосредственно на проксимальном крае ЛВ, возможно, успешно удалить не удастся.
Позднее для уменьшения риска стеноза ЛВ был разработан HIFU баллонный катетер, излучающий ультразвук вперед, вне устьев ЛВ (ProRhythm, Ronkonkoma, NY, United States). Радиально излучаемый ультразвук отражается от задней части баллона, в результате чего ультразвуковая энергия фокусированно проецируется прямо, в место контакта баллона с эндокардом. Эта система состоит из двух различных баллонов. Ультразвуковой кристалл 9 МГц расположен в дистальном баллоне, заполненном контрастом и водой.
Проксимальный баллон заполнен углекислым газом, и в сочетании с дистальным баллоном образует параболическое «зеркало», которое отражает ультразвуковую энергию в прямом направлении, фокусируя 360-градусное кольцо (ультразвуковое кольцо) ультразвуковой энергии на расстоянии 2-6 мм от поверхности дистального баллона. Дистальный баллон имеет 3 размера (24, 28 или 32 мм в диаметре) для возможности создавать ультразвуковые кольца 20, 25 или 30 мм в диаметре. Акустическая мощность системы для всех трех баллонов составляет 45 Вт, потеря мощности в баллоне незначительная.
Для поддержания баллона в прохладном состоянии (ниже 42°С) во время аблации дистальный баллон орошается контрастом и водой со скоростью 20 мл/мин. Катетер имеет центральный просвет для введения шестиполярного спирального картирующего катетера (ProMap, ProRhythm) для регистрации потенциалов ЛВ в режиме реального времени.
Было показано, что возможно клиническое применение данной системы для изоляции ЛВ. Однако зарегистрированы фатальные повреждения пищевода. Исследование, включившее 28 пациентов, в котором применялся алгоритм модуляции мощности на основе измеренной температуры в пищеводе с целью повышения безопасности процедуры, показало, что непосредственная электрическая изоляция ЛВ с помощью ультразвуковой аблации была достигнута только в 77% случаев. В 8% случаев ЛВ не могли быть изолированы с помощью HIFU из-за чрезмерного нагревания пищевода или смещения баллона катетера.
Всего лишь у 32% пациентов можно было достичь полной изоляции ЛВ при использовании только высокоинтенсивного сфокусированного ультразвука. Хотя модуляция мощности не оказала отрицательного влияния на краткосрочную эффективность электрической изоляции ЛВ, она также не предотвратила повышение температуры в пищеводе более 40°С в конце аблации.
Повышенная температура в пищеводе, вызвавшая прекращение подачи энергии, отмечалась в 9% случаев. Несмотря на применение безопасного алгоритма и непрерывной стимуляции диафрагмального нерва, преходящее и персистирующее повреждение диафрагмального нерва развивалось в 14 и 7% случаев соответственно. Хуже всего то, что применение безопасного алгоритма не смогло предотвратить термическое повреждение пищевода и образование предсердно-пищеводной фистулы, ставшей причиной летального исхода.
При среднем времени изоляции менее 15 сек и большом количестве осложнений становится очевидно, что данный источник энергии для некоторых пациентов слишком мощный.
Хотя изоляция ЛВ с помощью HIFU оказалась успешной, она не соответствовала стандартам безопасности, предъявляемым для лечения ФП, что привело к прекращению ее клинического применения. Проблемы возникновения паралича диафрагмального нерва и образования предсердно-пищеводной фистулы остаются нерешенными. Тем не менее, концепция применения такого источника энергии и режима доставки остается очень интересной для лечения ФП в будущем.
